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衍射元件的通光孔径为何要求为光束直径的2.5倍

作者:维尔克斯  时间:2021-3-30 10:37:50


一般衍射元件所在的光学系统需要调试的高斯光束既不是均匀的平面波,也不是均匀球面波,而是振幅和等相位面都在变化的高斯球面波。如下图,当振幅减小到中心光强一半时的光束直径定义为半高全峰光束直径D0(衍射元件光束直径),振幅减小到中心光强1/e2的光束直径定义为束腰直径D1D1≈1.7 D0



以束腰直径为标准,我们定义衍射元件通光孔径为D2,分析衍射元件通光孔径D2对效率的影响,功率损失公式如下:

由以上公式可得:

在保证功率损耗<10%的条件下,衍射元件通光孔径D2至少要比D1光束孔径大1.07倍;

在功率损耗<5%时,为1.22;

在功率损耗<1%时,为1.54;

功率损耗<0.1%时,为1.86倍。

可得知,在不影响光路的理想对焦前提下,D2 / D1越大,功率损失越小。为了使光损失<1%,在这种情况下,

衍射元件通光孔径D2 > (1.7×1.52) D0 2.584 D0,即衍射元件通光孔径至少是衍射光学元件2.5倍或光束整形器2.5倍。


考虑到组装误差,应该预留一部分的边缘,衍射光学元件D2应该大于光束整形器2.5倍,也既是光束整形器2.5倍。

考虑到工作的稳定性,尤其是高功率的系统中,如果选用稍小的通光孔径,光学器件被加热到更高的温度,镀层分离、涂料损坏、散射光线的现象会更严重,这都将在集成过程中对当前系统造成重大损害,在使用高功率激光器工作时尤其重要。

以上就是衍射元件通光孔径D2应该大于衍射元件光束直径2.5倍(入射光束直径2.5倍、衍射光学元件2.5倍或光束整形器2.5倍)的原因。




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